Les eines massives van avançar la gran química el 2022
Els conjunts de dades gegantins i els instruments colossals van ajudar els científics a abordar la química a una escala gegant aquest any
perAriana Remmel
Crèdit: Oak Ridge Leadership Computing Facility a ORNL
El superordinador Frontier del Laboratori Nacional d'Oak Ridge és el primer d'una nova generació de màquines que ajudaran els químics a fer simulacions moleculars més complexes que mai.
Els científics van fer grans descobriments amb eines de grans dimensions el 2022. Basant-se en la tendència recent d'intel·ligència artificial químicament competent, els investigadors van fer grans avenços, ensenyant als ordinadors a predir les estructures de proteïnes a una escala sense precedents.Al juliol, l'empresa DeepMind, propietat d'Alphabet, va publicar una base de dades que conté les estructures degairebé totes les proteïnes conegudes—Més de 200 milions de proteïnes individuals de més de 100 milions d'espècies, tal com prediu l'algorisme d'aprenentatge automàtic AlphaFold.Aleshores, al novembre, l'empresa tecnològica Meta va demostrar el seu progrés en la tecnologia de predicció de proteïnes amb un algorisme d'IA anomenatESMFfold.En un estudi de preimpressió que encara no ha estat revisat per parells, els investigadors de Meta van informar que el seu nou algorisme no és tan precís com AlphaFold, però és més ràpid.L'augment de la velocitat va significar que els investigadors podien predir 600 milions d'estructures en només 2 setmanes (bioRxiv 2022, DOI:10.1101/2022.07.20.500902).
Els biòlegs de la Facultat de Medicina de la Universitat de Washington (UW) estan ajudantampliar les capacitats bioquímiques dels ordinadors més enllà de la plantilla de la naturaensenyant a les màquines a proposar proteïnes a mida des de zero.David Baker de la UW i el seu equip van crear una nova eina d'IA que pot dissenyar proteïnes millorant iterativament en indicacions senzilles o omplint els buits entre parts seleccionades d'una estructura existent (Ciència2022, DOI:10.1126/science.abn2100).L'equip també va estrenar un nou programa, ProteinMPNN, que pot començar a partir de formes 3D dissenyades i assemblatges de múltiples subunitats de proteïnes i després determinar les seqüències d'aminoàcids necessàries per fer-les de manera eficient (Ciència2022, DOI:10.1126/science.add2187;10.1126/science.add1964).Aquests algorismes intel·ligents bioquímicament podrien ajudar els científics a crear plànols per a proteïnes artificials que es podrien utilitzar en nous biomaterials i productes farmacèutics.
Crèdit: Ian C. Haydon/UW Institute for Protein Design
Els algoritmes d'aprenentatge automàtic ajuden els científics a imaginar noves proteïnes amb funcions específiques en ment.
A mesura que les ambicions dels químics computacionals creixen, també ho fan els ordinadors utilitzats per simular el món molecular.Al Laboratori Nacional d'Oak Ridge (ORNL), els químics van veure per primera vegada un dels superordinadors més potents mai construïts.El superordinador exaescala de l'ORNL, Frontier, és una de les primeres màquines a calcular més d'1 quintilió d'operacions flotants per segon, una unitat d'aritmètica computacional.Aquesta velocitat de càlcul és aproximadament tres vegades més ràpida que la del campió vigent, la supercomputadora Fugaku al Japó.L'any vinent, dos laboratoris nacionals més planegen estrenar ordinadors exaescala als EUA.La gran potència informàtica d'aquestes màquines d'última generació permetrà als químics simular sistemes moleculars encara més grans i en escales de temps més llargues.Les dades recollides d'aquests models podrien ajudar els investigadors a superar els límits del que és possible en química reduint la bretxa entre les reaccions en un matràs i les simulacions virtuals utilitzades per modelar-les."Estem en un punt en què podem començar a fer preguntes realment sobre què falta als nostres mètodes o models teòrics que ens apropin al que un experiment ens diu que és real", Theresa Windus, química computacional d'Iowa. La Universitat Estatal i el líder del projecte amb el Projecte d'Informàtica Exascale, va dir a C&EN el setembre.Les simulacions que s'executen amb ordinadors exascale podrien ajudar els químics a inventar noves fonts de combustible i dissenyar nous materials resistents al clima.
A tot el país, a Menlo Park, Califòrnia, s'està instal·lant el SLAC National Accelerator Laboratoryactualitzacions supercool a la font de llum coherent Linac (LCLS)que podria permetre als químics aprofundir en el món ultraràpid dels àtoms i els electrons.La instal·lació està construïda sobre un accelerador lineal de 3 km, parts del qual es refreden amb heli líquid fins a 2 K, per produir un tipus de font de llum superbrillant i súper ràpida anomenada làser d'electrons lliures de raigs X (XFEL).Els químics han utilitzat els potents polsos dels instruments per fer pel·lícules moleculars que els han permès veure una infinitat de processos, com la formació d'enllaços químics i els enzims fotosintètics que funcionen."En un flash de femtosegon, podeu veure els àtoms quiets, els enllaços atòmics únics trencant-se", va dir a C&EN al juliol Leora Dresselhaus-Marais, científica de materials amb cites conjuntes a la Universitat de Stanford i SLAC.Les actualitzacions de LCLS també permetran als científics ajustar millor les energies dels raigs X quan les noves capacitats estiguin disponibles a principis de l'any vinent.
Crèdit: SLAC National Accelerator Laboratory
El làser de raigs X del SLAC National Accelerator Laboratory està construït sobre un accelerador lineal de 3 km a Menlo Park, Califòrnia.
Aquest any, els científics també van veure com de poderós podria ser l'esperat telescopi espacial James Webb (JWST) per revelar elcomplexitat química del nostre univers.La NASA i els seus socis (l'Agència Espacial Europea, l'Agència Espacial Canadenca i l'Institut de Ciència del Telescopi Espacial) ja han publicat desenes d'imatges, des de retrats enlluernadors de nebuloses estel·lars fins a les empremtes digitals elementals de les galàxies antigues.El telescopi infrarojo de 10.000 milions de dòlars està equipat amb conjunts d'instruments científics dissenyats per explorar la història profunda del nostre univers.Dècades en l'elaboració, el JWST ja ha superat les expectatives dels seus enginyers en capturar una imatge d'una galàxia giratòria tal com va aparèixer fa 4.600 milions d'anys, completa amb signatures espectroscòpiques d'oxigen, neó i altres àtoms.Els científics també van mesurar signatures de núvols vaporosos i boira en un exoplaneta, proporcionant dades que podrien ajudar els astrobiòlegs a buscar mons potencialment habitables més enllà de la Terra.
Hora de publicació: 07-feb-2023